Elektromagnetisch betätigbares Proportionalventil

Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisch bestätigbares Proportionalventil zur Regelung der Fördermenge einer Kraftstoffhochdruckpumpe in einem Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere in einem Common- Rail-Einspritzsystem, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ein bevorzugter Anwendungsbereich umfasst demnach die Verwendung des vorgeschlagenen Proportionalventils als Zumesseinheit.

Stand der Technik

Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2009 002 522 AI ist eine Zumesseinheit für eine Kraftstoffhochdruckpumpe mit einem elektromagnetisch betätigbaren Regelventil bekannt. Das Regelventil umfasst einen Magnetkern mit einer zentralen zylindrischen Bohrung zur Aufnahme und Führung eines axial verschiebbaren Ventilkolbens. Die axiale Verschiebung des Ventilkolbens wird über einen Elektromagneten mit einer Magnetspule bewirkt, die bei Bestromung zum Aufbau eines Magnetfelds führt, dessen Magnetkraft einen als Tauchanker ausgebildeten Anker in Richtung des Ventilkolbens bewegt. Mit dem Anker wird auch ein fest mit dem Anker verbundener Stößel bewegt, der in die zentrale zylindrische Bohrung des Magnetkerns hineinragt und mit dem Ventilkolben mechanisch gekoppelt ist, so dass hierüber schließlich die axiale Verschiebung des Ventilkolbens bewirkt wird. Entsprechend der axialen Lage des Ventilkolbens wird ein definierter Durchfluss durch das Ventil vorgegeben.

Als bewegliches Teil muss der Anker bzw. der Verbund aus Anker und Stößel an mindestens einer Position gelagert werden. Die Lagerung wird bei dem Regelventil der Zumesseinheit der DE 10 2009 002 522 AI durch eine Stützhülse realisiert, die in ei- nen Spulenkörper der Magnetspule eingesetzt ist. Darüber hinaus ist der Stößel über einen Führungsabschnitt des Magnetkerns geführt.

Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein elektromagnetisch betätigbares Proportionalventil anzugeben, das einfacher und kostengünstiger herstellbar ist.

Zur Lösung der Aufgabe wird das elektromagnetisch betätigbare Proportionalventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Offenbarung der Erfindung

Das zur Regelung der Fördermenge einer Kraftstoffhochdruckpumpe in einem Kraftstoffeinspritzsystem vorgeschlagene elektromagnetisch betätigbare Proportionalventil umfasst eine von einem Spulenkörper getragene Magnetspule sowie einen mit der Magnetspule zusammenwirkenden Anker. Der Anker ist als Tauchanker ausgebildet und mit einem Stößel verbunden, welcher der mechanischen Kopplung mit einem in einer Bohrung eines Magnetkerns axial verschiebbar aufgenommenen Ventilkolben dient. Erfindungsgemäß besitzt der Spulenkörper eine Innenumfangsfläche, über welche der Anker gelagert ist. Da die Lagerung des Ankers über den Spulenkörper erfolgt, ist ein separater Lagerkörper, beispielsweise in Form einer Stützhülse, entbehrlich. Die Funktion der Lagerung wird stattdessen in den Spulenkörper integriert. Durch die Funktionsintegration und den Entfall eines separaten Lagerkörpers kann die Herstellung des Proportionalventils einfacher und kostengünstiger gestaltet werden. Insbesondere vereinfacht sich die Montage des Proportionalventils, da die Montage mindestens eines weiteren Bauteils, vorrangig in Form einer Stütz- und/oder Lagerhülse, entfällt.

Bevorzugt ist der Spulenkörper zumindest im Bereich der der Lagerung des Ankers dienenden Innenumfangsfläche aus einem Kunststoffmaterial gefertigt. Das heißt, dass der Spulenkörper auch vollständig aus einem Kunststoffmaterial gefertigt sein kann. Als Kunststoffmaterial eignet sich insbesondere ein thermoplastischer Kunststoff, wie beispielsweise Polyoxymethylen (POM), Polyamid (PA), Polyethylenterephthalat (PET), Polybutylenterephthalat (PBT) oder Polyetheretherketon (PEEK). Bei den vorstehend genannten Materialien handelt es sich im Wesentlichen um Lagermaterialien, die vergleichsweise teuer sind. Um Material einzusparen, wird daher vorgeschlagen, dass der Spulenkörper lediglich bereichsweise aus einem solchen Ma- terial gebildet ist. Der Spulenkörper kann demnach auch als Verbundkörper ausgebildet sein.

Ferner kann ein herkömmlicher Spulenkörper verwendet werden, der in einem weiteren Bearbeitungsschritt zumindest im Bereich der Lagerung des Ankers mit einem entsprechenden Lagermaterial beschichtet oder umspritzt wird. In diesem Fall wird die Lagerfunktion erst nachträglich in den Spulenkörper integriert, wobei sich zur nachträglichen Funktionsintegration insbesondere Zweikomponenten-Spritzgussverfahren eignen. Die Beschichtung bzw. Umspritzung des Spulenkörpers bildet dann die der Lagerung des Ankers dienende Innenumfangsfläche aus.

Ein herkömmlicher Spulenkörper muss ggf. vor dem Beschichten oder Umspritzen mit einem Kunststoffmaterial spanend bearbeitet werden, um den erforderlichen Lagerdurchmesser in einem Innenumfangsbereich des Spulenkörpers zu gewährleisten. Da die spanende Bearbeitung die Einhaltung enger Toleranzen erlaubt, kann ergänzend eine spanende Bearbeitung nach dem Beschichten bzw. Umspritzen vorgesehen werden. Allerdings steigt damit auch der Bearbeitungsaufwand.

Sofern der Spulenkörper vollständig aus einem Kunststoffmaterial gefertigt ist, kann auf eine nachträgliche spanende Bearbeitung auch verzichtet werden. Insbesondere kann ein zusätzliches Ausspindeln des Lagerdurchmessers entfallen. Auf diese Weise wird ein besonders einfach und kostengünstig herstellbares Proportionalventil geschaffen.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Spulenkörper einen hohl- zylinderförmigen Ansatz besitzt, der über die Magnetspule und/oder einen die Magnet- spule umgreifenden Bundbereich des Spulenkörpers hinausragt. Der hohlzylinderför- mige Ansatz vergrößert die Lagerfläche, über welche etwaige Querkräfte abgetragen werden, die über den Anker eingeleitet werden. Spannungen an der Oberfläche können somit gering gehalten werden. In der Folge reduziert sich auch der Verschleiß. Der hohlzylinderförmige Ansatz kann ferner dazu eingesetzt werden, eine Verbindung des Spulenkörpers mit einem Gehäuseteil herzustellen, das die Magnetspule zumindest teilweise umgibt. Hierbei kann der hohlzylinderförmige Ansatz zugleich als Abdichtung dienen.

Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass außenumfangseitig im Bereich des hohlzylinderförmigen Ansatzes ein Dichtring auf den Spulenkörper aufgesetzt ist. Der Dichtring optimiert die Abdichtung zwischen Spulenkörper und Gehäuseteil, so dass die Magnetspule trocken gelagert ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besitzt der Spulenkörper eine gestufte Innenkontur zur Ausbildung der der Lagerung des Ankers dienenden In- nenumfangsfläche. Das heißt, dass lediglich ein Teilbereich der Innenumfangsfläche des Spulenkörpers als Lager für den Anker dient. Hierbei handelt es sich um den Teilbereich der Innenumfangsfläche, der den kleinsten Innendurchmesser besitzt.

Die gestufte Innenkontur des Spulenkörpers besitzt zudem den Vorteil, dass die Formsteifigkeit des Spulenkörpers erhöht wird.

Des Weiteren bevorzugt ist die Magnetspule von einem topfförmigen Gehäuseteil und/oder einer Umspritzung umgeben. Vorzugsweise nimmt das topfförmige

Gehäuseteil die Magnetspule vollständig auf, so dass diese vor äußeren Einwirkungen geschützt ist. Die alternativ oder ergänzend vorgesehene Umspritzung besitzt ebenfalls eine Schutzfunktion. Über die Umspritzung kann insbesondere eine Abdichtung erzielt werden. Ferner kann die Umspritzung ein Anschlusselement ausbilden, beispielsweise in Form eines Steckers oder einer Steckeraufnahme.

Vorteilhafterweise bildet das topfförmige Gehäuseteil eine mit dem Stößel zusammenwirkende und den Hub des Ankers begrenzende Anschlagfläche aus. Auf diese Weise kann auf die Anordnung eines separaten Anschlagelements verzichtet werden. Dies wiederum wirkt sich vorteilhaft auf die Herstellungskosten aus.

Als weiterbildende Maßnahme wird vorgeschlagen, dass der Stößel durch eine zentrale Bohrung des Magnetkerns hindurch geführt ist, die in die Bohrung mündet, in der der Ventilkolben aufgenommen ist. Durch diese Maßnahme ist der Stößel in einfacher Weise mit dem Ventilkolben mechanisch koppelbar. Um eine statische Überbestimmung durch eine mehrfache Führung des Verbundes aus Anker und Stößel zu vermeiden, ist vorzugsweise der Innendurchmesser der vom Stößel durchsetzten Bohrung größer als der Außendurchmesser des Stößels gewählt, so dass zwischen dem Stößel und dem Magnetkern ein Ringraum verbleibt.

Das heißt, dass gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der Stößel lediglich mittelbar über den Anker geführt ist. Die Führung des Ankers bzw. des Verbunds aus Anker und Stößel wird dabei über die der Lagerung dienende Innenum- fangsfläche des Spulenkörpers bewirkt. Eine Überbestimmung wird auf diese Weise sicher vermieden.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Proportionalventil gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform,

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt der Fig. 1 im Bereich der Ankerlagerung,

Fig. 3 einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Proportionalventil gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform, jedoch beschränkt auf den Bereich der Kopplung des Ankers mit dem Ventilkolben,

Fig. 4 einen schematischen Längsschnitt durch eine vormontierte Einheit eines erfindungsgemäßen Proportionalventils, umfassend eine in ein topfförmiges Gehäuseteil eingesetzte Magnetspule und

Fig. 5 einen schematischen Längsschnitt durch den Spulenkörper der Magnetspule der vormontierten Einheit der Fig. 4. Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Das in den Fig. 1 und 2 schematisch dargestellte erfindungsgemäße Proportionalventil umfasst einen Magnetkern 6 mit einer zentralen Bohrung 5, in welcher ein federbelasteter Ventilkolben 7 axial verschiebbar aufgenommen ist. Der Ventilkolben 7 ist als Schlitzblende ausgeführt und besitzt mindestens eine mantelseitige schlitzförmige Durchbrechung, die in Überdeckung mit einer als Zulauf dienenden Ringnut 17 bringbar ist. In die Ringnut 17 münden mehrere in gleichem Winkelabstand zueinander angeordnete Zulaufbohrungen 18. Über die axiale Lage des Ventilkolbens 7 ist demnach der Durchfluss durch das Ventil steuerbar.

Die axiale Lage des Ventilkolbens 7 ist über eine Magnetspule 2 beeinflussbar, die hierzu mit einem Anker 3 zusammenwirkt, der als Tauchanker ausgebildet und zur Kopplung mit dem Ventilkolben 7 mit einem Stößel 4 verbunden ist. Bei einer

Bestromung der Magnetspule 2 bildet sich ein Magnetfeld aus, dessen Magnetkraft den Anker 3 einschließlich des Stößels 4 nach unten bewegt. Aufgrund der Kopplung des Ankers 3 mit dem Ventilkolben 7 über den Stößel 4 wird auch der Ventilkolben 7 nach unten bewegt. Dabei ändert sich der Überdeckungsbereich der Schlitzblende mit der Ringnut 17 bzw. der zur Verfügung stehende Durchflussquerschnitt.

Die Magnetspule 2 ist auf einem Spulenkörper 1 angeordnet, der aus einem Kunststoffmaterial besteht, beispielsweise aus PEEK, und zugleich als Lagerkörper dient. Der Spulenkörper 1 vereint demnach die Funktionen Halterung der Magnetspule 2 und Lagerung des Ankers 3. Die Lagerung des Ankers 3 erfolgt über eine Innenumfangsflä- che 8, im Bereich welcher der Spulenkörper 1 einen an den Außendurchmesser des Ankers 3 angepassten Innendurchmesser besitzt.

Zur Vergrößerung der Lagerfläche weist der Spulenkörper 1 einen hohlzylinderförmi- gen Ansatz 9 auf, welcher an einen sich nach radial außen erstreckenden Bundbereich 10 angesetzt ist, der die Magnetspule 2 stirnseitig abdeckt. Der hohlzylinderför- mige Ansatz 9 und der Bundebereich 10 umschließen dabei einen Winkel, in den ein Dichtring 11 eingesetzt ist (siehe insbesondere Fig. 2). Der Dichtring 11 dient der Abdichtung gegenüber einem topfförmigen Gehäuseteil 12, in das die Magnetspule 2 ein- schließlich des Spulenkörpers 1 eingesetzt ist. In einem außen liegenden Endbereich ist das Gehäuseteil 12 von einer Umspritzung 13 umgeben, welche die Dichtheit der Anordnung nochmals erhöht. Zugleich bildet die Umspritzung 13 ein Anschlusselement 19 aus, um den elektrischen Anschluss der Magnetspule 2 an eine externe Stromquelle zu ermöglichen (siehe insbesondere Fig. 1).

Zur Begrenzung des Hubs des Ankers 3 weist der mit dem Anker 3 verbundene Stößel 4 eine Stirnfläche auf, die mit einer Anschlagfläche 14 des Gehäuseteils 12 anschlagbildend zusammenwirkt (siehe insbesondere Fig. 1).

Eine Abwandlung des in den Fig. 1 und 2 schematisch dargestellten Proportionalventils ist der Fig. 3 zu entnehmen. Um eine Überbestimmung aufgrund mehrfacher Lagerung/Führung des Ankers 3 bzw. des Verbundes aus Anker 3 und Stößel 4 zu verhindern, ist der Stößel 4 durch eine Bohrung 15 des Magnetkerns 6 hindurch geführt, die einen Innendurchmesser besitzt, der größer als der Außendurchmesser des Stößels 4 ist. Auf diese Weise verbleibt zwischen dem Stößel 4 und dem Magnetkern 6 ein Ringraum 16, der eine Überbestimmung sicher verhindert.

Die Integration der Lagerfunktion in den Spulenkörper 1 weist den Vorteil auf, dass die Montage vereinfacht wird. Denn es entfällt ein separater Lagerkörper, beispielsweise in Form einer Stützhülse, die in einem separaten Arbeitsschritt in den Spulenkörper 1 und/oder in das topfförmige Gehäuseteil 12 eingesetzt, insbesondere eingepresst werden muss. Ferner entfällt die Notwendigkeit des Ausspindelns des Lagerdurchmessers. Die Produktherstellungskosten können auf diese Weise gesenkt werden.

Die Herstellung eines erfindungsgemäßen Proportionalventils umfasst den Schritt der Vormontage der Magnetspule 2. Im Rahmen der Vormontage wird der Spulenkörper 1 mit Spulendraht umwickelt, so dass ein Spulendrahtende zur Kontaktierung der Magnetspule 2 zugänglich bleibt. Die Kontaktierung erfolgt vorzugsweise mittels eines Pins, der anschließend verschweißt wird. Danach wird der Dichtring 11 auf den Spulenkörper 1 aufgesetzt. Nach erfolgter Vormontage kann die Magnetspule 2 in das topfförmige Gehäuseteil 12 eingesetzt werden. Anschließend wird da Gehäuseteil 12 umspritzt, so dass man die in der Fig. 4 dargestellte vormontierte Einheit erhält. Bei der in der Fig. 4 dargestellten Einheit muss nur noch der Anker 3 im Verbund mit dem Stößel 4 eingesetzt werden. Das Einsetzen eines zusätzlichen Lagerkörpers ist nicht erforderlich. Ferner bedarf es keiner vorhergehenden Bearbeitung des Lagerdurchmessers durch Ausspindeln, wenn wie vorliegend der Fall der Spulenkörper 1 vollständig aus einem Kunststoff material gefertigt ist (siehe Fig. 5).